温室气体通量

1、引言 大气中温室气体体积分数增加导致的全球气温升大气中温室气体体积分数增加导致的全球气温升高，引起了世界各国政府和科学家的共同关注，高，引起了世界各国政府和科学家的共同关注，已成为全球生态环境研究中的一个热点领域已成为全球生态环境研究中的一个热点领域。 COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2O O是大气中最主要的是大气中最主要的3 3种温室气体，种温室气体，在对温室效应的贡献中，在对温室效应的贡献中，COCO2 2占占7070，CHCH4 4占占2323，N N2 2O O占占7 7，它们对全球气候变暖的增温贡献分别，它们对全球气候变暖的增温贡献分别是是6060、1515和和5 5。 人

2、类活动的影响，大气中人类活动的影响，大气中COCO2 2，体积分数从，体积分数从18001800年的年的80801010-6 -6增加到目前的增加到目前的345 X 10345 X 10-6 -6，而且目前正以每年，而且目前正以每年0 05 5的速度在增长；的速度在增长；CHCH4 4是大气中除是大气中除COCO2 2外最为丰富的含碳化合外最为丰富的含碳化合物，虽然在大气中只有物，虽然在大气中只有10a10a的存活时间，但它是一种红外辐的存活时间，但它是一种红外辐射活性气体，其红外吸收能力是射活性气体，其红外吸收能力是COCO2 2的的20203030倍，是一种很倍，是一种很重要的温室气体重要

3、的温室气体。 2020世纪世纪7070年代末年代末8080年代初，大气年代初，大气CHCH4 4含量随时间变化的监测含量随时间变化的监测工作开始在世界不同地方进行，随着研究的不断深入，国工作开始在世界不同地方进行，随着研究的不断深入，国内外多项观测结果表明，大气中内外多项观测结果表明，大气中CHCH4 4体积分数从过去的体积分数从过去的0 072721010-6 -6上升到现在的上升到现在的1 178781010-6 -6，已经增长了一倍多，已经增长了一倍多，且目前正以每年且目前正以每年0.80.8-1.1-1.1的年速率在增长的年速率在增长。 据据估计，全球每年排放估计，全球每年排放CHCH

4、4 4总量约为总量约为4204201010121262062010101212g g。1.湿地温室气体国内外研究现状 国外对自然湿地温室气体的排放研究报道较少，中国的国外对自然湿地温室气体的排放研究报道较少，中国的湿地温室气体研究主要集中若尔盖和青藏高原的草丛湿湿地温室气体研究主要集中若尔盖和青藏高原的草丛湿地。辽河三角洲芦苇湿地、三江平原的草丛湿地和沿海地。辽河三角洲芦苇湿地、三江平原的草丛湿地和沿海红树林湿地等湿地的研究红树林湿地等湿地的研究。 目前世界上研究较为完善的是日本等发达国家。典型草目前世界上研究较为完善的是日本等发达国家。典型草甸小叶章湿地的甸小叶章湿地的N20N20排放与排放

5、与5cm5cm地温的相关性较大，而地温的相关性较大，而沼泽化草甸小叶章湿地与之相关并不明显，积水环境条沼泽化草甸小叶章湿地与之相关并不明显，积水环境条件对其影响更为明显。件对其影响更为明显。2大气通量的测量方法 2 21 1箱法箱法箱箱法是目前最常用的方法，用来测量土壤和大气间微法是目前最常用的方法，用来测量土壤和大气间微量气体交换通量，工作原理简单，用特制箱子罩在一定面积量气体交换通量，工作原理简单，用特制箱子罩在一定面积的下垫面上方，隔绝箱内外气体的交换，随时间的变化测定的下垫面上方，隔绝箱内外气体的交换，随时间的变化测定箱内温室气体，根据计算得出气体交换通量。主要分为箱内温室气体，根据计

6、算得出气体交换通量。主要分为3 3种种类型：密闭式静态箱、密闭式动态箱和开放式动态箱。类型：密闭式静态箱、密闭式动态箱和开放式动态箱。 密闭式静态箱又包括碱液吸收法和气相色谱法密闭式静态箱又包括碱液吸收法和气相色谱法2 2种，碱液吸种，碱液吸收法是用溶液吸收收法是用溶液吸收CO2CO2，形成碳酸根，主要是，形成碳酸根，主要是NaOHNaOH或或KOHKOH溶液，吸收结束后进行滴定，计算出土壤在这一段时溶液，吸收结束后进行滴定，计算出土壤在这一段时间内的间内的CO2CO2排放量。采样箱分为透明箱和暗箱排放量。采样箱分为透明箱和暗箱2 2种种。 密闭式动态箱只是增加了气体的循环过程，具体测量原理密

7、闭式动态箱只是增加了气体的循环过程，具体测量原理与静态箱原理相似。而开放式动态箱气体并不再回流，并与静态箱原理相似。而开放式动态箱气体并不再回流，并且是通过计算箱入口和出口处气体浓度差异来确定气体的且是通过计算箱入口和出口处气体浓度差异来确定气体的排放通量。箱内气体排放、吸收速率用通量的计算方法，排放通量。箱内气体排放、吸收速率用通量的计算方法，即单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化，正值表即单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化，正值表示气体排放到大气，负值表示气体的吸收，用公式表示为：示气体排放到大气，负值表示气体的吸收，用公式表示为： 式中，式中，F F为气体通量为气体通量(mgm

8、-2h-1)(mgm-2h-1)，V V为观测箱的容积为观测箱的容积(L)(L)，V V为观测时包围的土壤面积为观测时包围的土壤面积(m2)(m2)，H H为采样箱露出沉积物大气为采样箱露出沉积物大气界面的高度界面的高度(m)(m)，vv/ /cc为采样箱内气体浓度随时间的变化为采样箱内气体浓度随时间的变化率率(mgL-1h-1)(mgL-1h-1)。2 22 2微气象学法微气象学法 微微气象学法包括空气动力学方法、涡度相关法、波文比能量平气象学法包括空气动力学方法、涡度相关法、波文比能量平衡法等。衡法等。（1 1）空气动力学方法。该方法认为，近地面层温度、水汽压和风）空气动力学方法。该方法认

9、为，近地面层温度、水汽压和风速等各种物理属性的垂直梯度，受大气传导性的制约，根据温度、速等各种物理属性的垂直梯度，受大气传导性的制约，根据温度、湿度和风速的梯度及廓线方程，用不同的积分公式求解出农田上湿度和风速的梯度及廓线方程，用不同的积分公式求解出农田上的蒸发潜热和显热通量。的蒸发潜热和显热通量。（2 2）涡度相关法。用特制的涡动通量仪直接测算下垫面显热和潜）涡度相关法。用特制的涡动通量仪直接测算下垫面显热和潜热的湍流脉动值，而求得植被腾发量的方法。其计算式为：热的湍流脉动值，而求得植被腾发量的方法。其计算式为： 式式中：中：E E为瞬时蒸发值；为瞬时蒸发值； 是空气密度；是垂直风速；是空气

10、密度；是垂直风速；q q是湿度的瞬是湿度的瞬时脉动值。在计算时取它们乘积的半小时或长时脉动值。在计算时取它们乘积的半小时或长时间的时间的平均值平均值。(3) 3)波文比能量平衡法。以下垫面的水热交换为基础，在假定热量波文比能量平衡法。以下垫面的水热交换为基础，在假定热量交换系数和水汽的交换系数和水汽的湍流交换湍流交换系数相等的情况下，根据相似理论引系数相等的情况下，根据相似理论引入波文比显热通量与潜热通量之比，并将入波文比显热通量与潜热通量之比，并将 微分化为差分后代入湿微分化为差分后代入湿度常数系数，简化下垫面的能量平衡方程而求得植被腾发量的方度常数系数，简化下垫面的能量平衡方程而求得植被腾

11、发量的方法。法。 2 23 3土壤浓度廓线法土壤浓度廓线法 该该法是指假设土壤浓度均一，就可以通过测定土法是指假设土壤浓度均一，就可以通过测定土壤剖面不同深度的气体浓度来计算土壤与大气间的壤剖面不同深度的气体浓度来计算土壤与大气间的气体交换通量。土壤剖面温室气体浓度的测量方法气体交换通量。土壤剖面温室气体浓度的测量方法主要有主要有2 2类：土壤气体采样管和多层采样探头，但是类：土壤气体采样管和多层采样探头，但是无论哪一种，都必须先破坏土壤基质再进行管路或无论哪一种，都必须先破坏土壤基质再进行管路或探头的埋设。探头的埋设。 2 24 4同位素法同位素法 该法是指含有较轻原子该法是指含有较轻原子(

12、 (如如1212C)C)的化学键活化能的化学键活化能较低，产物中较低，产物中C C浓度会由于化学或生物酶反应浓度会由于化学或生物酶反应增加，而反应基质中则是增加，而反应基质中则是1212C C浓度增加，从而浓度增加，从而可以鉴定土壤中排放出来的可以鉴定土壤中排放出来的CHCH4 4的量。由于在的量。由于在沉积物中氧化生成沉积物中氧化生成CHCH4 4，因此碳同位素比例上，因此碳同位素比例上有很大不同，因此可通过实验测定土壤产生的有很大不同，因此可通过实验测定土壤产生的COCO2 2和和CHCH4 4中的元素同位素组成。根据同样原中的元素同位素组成。根据同样原理，也可用同位素理，也可用同位素15

13、15N N鉴定鉴定N N2 20 0。但。但N N2 20 0含量较含量较低，很难获得准确的分析结果。低，很难获得准确的分析结果。3方法比较 箱法操作简单，目前应用比较广泛。但密闭静态箱对观测箱法操作简单，目前应用比较广泛。但密闭静态箱对观测有扰动，并且多种因素都会对气体交换通量的测量产生影有扰动，并且多种因素都会对气体交换通量的测量产生影响响。 而而所有微气象法对观测下垫面都有极为严格的要求。从测所有微气象法对观测下垫面都有极为严格的要求。从测量原理分析，土壤浓度廓线法可以获得真实的气体交换通量原理分析，土壤浓度廓线法可以获得真实的气体交换通量，但测量土壤剖面量，但测量土壤剖面COCO2 2

14、浓度时，都必须先破坏土壤基质，浓度时，都必须先破坏土壤基质，采样过程中也同样会存在压差问题采样过程中也同样会存在压差问题。 而而同位素法价格昂贵，难以广泛采用同位素法价格昂贵，难以广泛采用。 综上所述综上所述，现有的测量方法没有哪一种是完美的。具体的，现有的测量方法没有哪一种是完美的。具体的方法比较见表方法比较见表1 1。具体的方法选择要根据实际情况决定。具体的方法选择要根据实际情况决定。4 4温室气体通量测量方法应用与温室气体通量测量方法应用与发展方向发展方向 4.14.1与遥感技术结合与遥感技术结合 近年来近年来，新兴的遥感技术被逐渐应用在通量研，新兴的遥感技术被逐渐应用在通量研究中，尤以

15、究中，尤以RsRs和和GISGIS技术应用广泛。早在技术应用广泛。早在2020世纪世纪9090年年代初，加拿大学者研究森林生态系统的碳库及其动代初，加拿大学者研究森林生态系统的碳库及其动态变化所用的就是态变化所用的就是GISGIS方法，取得了良好的效果，方法，取得了良好的效果，同时建立了气候变化和碳通量之间的关系模型。由同时建立了气候变化和碳通量之间的关系模型。由于于RSRS的连续动态监测能力和的连续动态监测能力和GISGIS的空间数据分析能的空间数据分析能力，使它们越来越多地被应用在通量研究中。力，使它们越来越多地被应用在通量研究中。 4.24.2与高精度仪器结合与高精度仪器结合 测量测量仪器的精密、准确程度决定了气体通仪器的精密、准确程度决定了气体通量测量的准确性。近年来新兴的技术有可调谐二量测量的准确性。近年来新兴的技术有可调谐二极管激光吸收光谱技术和美国极管激光吸收光谱技术和美国LICORLICO